量子力學遇上廣義相對論 “墨子號”求解世紀謎題

當量子力學遇上廣義相對論，會擦出怎樣的火花？近日，多國科研人員合作利用我國“墨子號”量子科學實驗衞星，對一類預言引力場導致量子退相干的理論模型開展了實驗檢驗。這是國際上首次利用量子衞星在地球引力場中對嘗試結合量子力學與廣義相對論的理論開展實驗檢驗，將極大推動相關物理學基礎理論和實驗研究。

近日，中國科學技術大學教授潘建偉及其同事聯合美國加州理工學院、澳大利亞昆士蘭大學等單位的科研工作人員，首次利用“墨子號”量子科學實驗衞星對一類預言引力場導致量子退相干的理論模型開展了實驗檢驗。研究成果於近日發表在國際頂級學術期刊《科學》雜誌。

“‘墨子號’的先進技術，促成了人類歷史上第一次成功利用量子光學實驗方式完成了量子理論和廣義相對論之間的基礎理論驗證，將極大推動相關物理學基礎理論和實驗研究。”潘建偉表示。

物理學家的“終極夢想”

描述微觀世界的量子力學和闡釋引力場的廣義相對論，是現代物理學的兩大支柱，它們在各自領域取得了巨大成功。然而，這兩大理論似乎天生是對“冤家”，無論科學家們如何努力使其融會貫通，始終不能“友好和平共處”：很多在廣義相對論框架下適用的物理規則，在量子領域就不再適用。

廣義相對論和量子力學能否合二為一？一些試圖將其融合的理論模型陸續誕生，但都缺乏實驗檢驗，無法驗證，進而阻礙了科學的發展。造成這一結果的主要原因是這些理論模型的預言都只能在極端實驗條件下檢驗。

條件苛刻到何種程度？論文聯合作者、中國科學技術大學教授陳宇翱舉了兩個例子：極小空間尺度10-35米，這比電子半徑還小了20個數量級；或者是極高能標1019GeV（GeV為十億電子伏特），而當前能標最高的大型強子對撞機，如LHC也只能將質子的能量提升至104GeV量級。

“這些都遠遠超出目前可以達到的實驗條件，即便是在未來幾十年，科學家們也沒有找到更好的方法可以達到或接近這些條件。”陳宇翱稱。

困難阻擋不住科學家們探索宇宙的決心。人們已經認識到，物質世界千變萬化的現象，歸根結底是通過目前已知的4種基本相互作用產生的：電磁相互作用、弱相互作用、強相互作用和引力相互作用。其中，前3種力都可以在量子力學的框架下得到解釋，唯獨引力運用量子力學無法解釋。

“解決或對於這一問題的正確理解，將有助於建立關於4種基本相互作用的大統一理論。”潘建偉説。而這也是物理學界包括愛因斯坦在內眾多科學家的“終極夢想”：建立一個“萬有理論”，試圖統一所有尺度的物理理論。

“墨子號”大展拳腳

向着科學的高峯努力奔跑，近年來，理論物理學家嘗試提出新的理論，在某個層面上將廣義相對論和量子力學放入一個統一的理論框架中，並探討了一些在目前實際條件下可能進行實驗驗證的新機制。其中，澳大利亞物理學家拉夫提出的“事件形式”理論模型備受關注。

根據“事件形式”理論模型，量子態在奇異時空和平直時空中的演化是不同的，並預言地星（地球、衞星）之間分發的糾纏光子對會發生退相干現象，即引力可能導致量子退相干效應。

“換句話説，假設在地球表面製備了一對糾纏光子對，其中一個光子穿過局域平直時空，在光源附近的地表傳播；而另一個光子穿過地球引力場形成的彎曲時空，傳播到衞星。”陳宇翱説，依據現有的量子力學理論，所有糾纏光子對將保持糾纏特性；而依據事件形式理論，糾纏光子對之間的關聯性則會概率性受到損失（量子退相干效應）。

什麼是量子？它是能表現出某個物質或物理量特性的最小單元，例如“光的量子”，也被稱為光子，指的是一定頻率的光的基本能量單位。而量子糾纏指的是兩個（或多個）粒子共同組成的量子狀態，科學家們認為無論粒子之間相隔多遠，測量其中一個粒子必然會影響其他粒子，這種像“心靈感應”的神奇現象就是量子力學理論中的“量子糾纏現象”。

正所謂“山重水複疑無路，柳暗花明又一村”。科學的探索亦是如此。2016年8月16日，我國發射了世界首顆量子科學實驗衞星“墨子號”，此後又成功完成千公里級地星雙向量子糾纏分發。量子科學實驗衞星正是檢驗“事件形式”理論的理想平台。

就這樣，以潘建偉為代表的中國科學家和拉夫一起，利用我國已經在軌的“墨子號”量子科學衞星，共同設計了一個實驗方案，並於最近完成了實驗。“這是國際上首次在太空中利用衞星開展的關於量子力學和廣義相對論關係的實驗研究，具有指標性、引領性意義，將極大推動相關的理論和實驗研究活動。”潘建偉稱。

“事件形式”理論模型被排除

實驗結果如何？潘建偉説：“如果我們確實觀察到了這種偏差，即量子退相干效應，那就意味着‘事件形式’理論是正確的，我們必須對量子理論和廣義相對論之間的相互作用進行實質性修正。”

不過，科學研究的一個美妙之處在於“意想不到”。“我們的實驗結果排除了這一理論模型，結果令人信服。”陳宇翱告訴記者，本次實驗排除了“事件形式”理論所預言的引力導致糾纏退相干現象，將極大推動相關基礎理論和實驗研究。

不僅如此，在實驗觀測結果的基礎上，科學家們還對之前的理論模型進行了修正和完善。修正後的理論表明，在“墨子號”現有500公里軌道高度下，量子糾纏退相干現象將表現得比較微弱。“實驗結果排除了‘事件形式’較強的模型，結果令人信服，但修正後的理論模型是否正確仍有待檢驗。”潘建偉表示。

求索永無止境。為了進一步驗證修正版的理論模型，需要在更高軌道的實驗平台開展研究。未來，潘建偉和他的團隊將發射一顆新的衞星，預計它的軌道將比“墨子號”高20到60倍，其中一項科學實驗任務就是能夠在理論預言更強的糾纏退相干範圍內進行檢驗。